이종용접에서의 미혼합영역의 미세조직 및 기계적 특성에 대한 연구

Abstract

The present work aims to investigate the microstructure evolution and mechanical properties of unmixed zone(UMZ) of dissimilar welds between nodular cast iron and STS409L, STS429EM which is used at the exhaust manifold of automobile. To simulate the UMZ, Gas tungsten arc welding (GTAW) was employed with Y309L filler metal. The UMZ was simulated by an arc positioning between two base metal, because the width of UMZ is very narrow to analyze. Microstructure was analysed through optical microscopic and electron probe micro analyzer(EPMA). Micro hardness profile was obtained by Vickers hardness tester, and additionally the thermal aging considering the high operating temperature of exhaust manifold was accomplished, to observing the changes in microstructure and mechanical properties. A large volume of high carbon martensite was formed in the UMZ with eutectic and retained austenite, which is due to high carbon content of nodular cast iron and fast cooling during welding. But as the decreasing in mixed fraction of nodular cast iron (increase of filler metal, Y309L) in the UMZ, the retained austenite is increased as Ni contents is increased, and carbon is decreased which leads to decrease of ledeburite. Meanwhile, in case of ferritic STS - filler metal Y309L side, as a change of dilution, the solidification mode was also changed. Thus, the final phase and hardness of UMZ were also varied. Those results indicated that UMZ is possibly to act as local brittle zone (LBZ) of dissimilar welds. Especially on nodular cast iron - Y309L side is possibly act as crack initiation sight. Using thermo-calc, the solilidification temperature was calculated. As a result, a difference of solidification temperature between nodular cast iron - Y309L side was much larger than between ferritic STS and Y309L. It is obvious that the crack sensibility is much larger at nodular cast iron - Y309L side during cooling because of contractile stress. To investigate the changes in microstructure and mechanical properties of weldment during applied in an automobile, the thermal-aging was accomplished at 950°C using a furnace. After aging, in case of nodular cast iron - Y309L side, as increasing aging time, the cabon of nocular cast iron diffuses into the filler metal. Therefore, high carbon marteniste can be transformed into ferrite, and It is observed that an amount of carbide is increased in filler metal, and the type is changed too. Meanwile, in case of STS409L - Y309L side, the martensite layer is widened as increasing of aging time. It is consider that a diffusion of carbon weld metal which was due to the dilution of nodular cast iron and filler metal during welding.; 자동차의 경량화 추세에 맞추어 배기계 부품의 재료가 종래 주철에서 점차적으로 스테인리스 스틸로 바뀌어가고 있다. 하지만 여전히 생산성 및 경제성에 의해 일부 부품은 주철, 내열주강, 탄소강 등이 적용되고 있다. 따라서 이들 부품간의 이종용접은 필수적인 것으로 용접 시 접합부에서 UMZ(Unmixed Zone, UMZ)이 발생한다. 이 영역은 용접시 혼합이 전혀 일어나지 않아 모재와 성분이 동일하거나 두 소재간 혼합이 부분적으로 일어남에 따른 구성 성분을 나타낸다. 이에 따라 미세조직 및 기계적 특성이 전혀 다르게 나타날 것으로 예상된다. 본 연구에서는 이종용접시에 발생하는 UMZ의 미세조직 형성 기구 및 기계적 특성변화 해석을 목표로 하고 있다. 이를 위해 현재 자동차 배기매니폴드에 적용되고 있는 구상흑연주철과STS409L, STS429EM간의 Y309L의 용가재를 이용하여 용접시 발생하는 UMZ 재현실험을 하였으며, 성분분석을 통해 혼입비율을 측정하였다. 이렇게 얻은 결과를 실용접부의 실험 데이터와 비교 분석하였다. 구상흑연주철의 UMZ은 모재의 성분과 유사하나 금속응고 과정에서 마르텐사이트 및 Fe3C상으로 최종응고 된다. 이에 따라 모재에 비해 급격히 경도가 증가하는 경향을 보인다. 구상흑연주철 - Y309L간 UMZ의 조직도 중 구상흑연주철의 함유량이 높은 경우 높은 탄소 함량과 낮은 Ni의 함량으로 인해 구상흑연주철의 분율이 100%인 UMZ과 비슷한 조직을 보이며 높은 경도 값을 보이나, Y309L의 분율이 높아짐에 따라 탄화물의 감소 및 Ni 증가에 따라 상온에서 오스테나이트가 존재하여 점차적으로 경도가 낮아지는 현상을 보인다. 페라이트계 스테인리스강 - Y309L간의 접합부는 융점의 차이가 적은 이유로 UMZ넓이가 매우 협소하게 나타난다. 또한 페라이트계 스테인리스강 분율의 증가에 따라 M + F -> M + A + F -> A + F의 의 조직 변화를 거치며 M + A + F 영역에서 마르텐사이트의 분율의 증가에 따른 경도 값의 증가를 보인다. 실제 사용 환경에서의 이종용접부의 미세조직 변화를 관찰하기 위해 시행된 열시효 실험의 결과로는 구상흑연주철 - Y309L간 접합부에서는 고온시효에 따른 C의 확산에 의해 구상흑연주철의 UMZ영역이 사라지며 접합부의 fusion line이 뚜렷하게 나타난다. 또한 앞서 언급한 상변태에 의해 접합부에서의 급격한 경도변화가 사라진다. 페라이트계 스테인리스강 - Y309L간의 이종접합부에서는 고온시효에 따라 STS409L - Y309L간 접합부의 경우 마르텐사이트 층이 넓어지는 것을 관찰할 수 있다. 또한 STS429EM-Y309L간 접합부의 경우 고온시효에도 불구하고 마르텐사이트 층이 넓어지는 것은 관찰되지 않았다.